西北工业大学Mater. Sci. Eng. A: 工艺参数和热处理对Inconel 718高温合金激光金属沉积组织和动态力学行为的影响

渡口 6年前 (2018-03-02) 4722浏览

【引言】

镍基高温合金Inconel 718具有强度高、抗氧化、防辐射以及可焊性好和组织稳定性等诸多优异性能，广泛应用于燃气轮机，航空发动机，核反应堆和其它高温领域中。同时，由于其自身加工自硬化严重，因此利用传统的机械加工方法容易引起刀具磨损严重，材料耐热性和表面完整性差等。

激光加工过程中的快速加热和快速凝固特征使得所制造出来的金属零件具有定向生长的微观组织和优良的性能，在航天器件、飞机发动机叶片及武器零件的制备上具有广阔的应用前景；采用同轴送粉，可以在零件的不同部位根据性能要求沉积不同组分的成形材料，从而实现零件的结构设计、重量、强度以及材料使用的最优化；同时也可以用激光金属沉积成形技术来制备功能梯度材料等复合材料，它们在电子、航天等领域应用广泛。

【成果简介】

近日，西北工业大学郭伟国(通讯作者)等人在期刊Mater. Sci. Eng. A上发表了最新研究的且题目为“Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition”的文章。为了利用激光金属沉积（LMD）技术制备用于航空发动机的高性能镍基高温合金，通过LMD技术采用三组不同工艺参数制备Inconel 718合金，并通过两种不同热处理制度对其进行热处理。然后通过宽应变率和温度范围的压缩试验评估工艺参数和热处理对其微观结构和动态力学性能的影响，并使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察样品的初始微观结构和破坏特征。

【图文导读】

图1.激光金属沉积工艺示意图

图2.不同试样显微组织

（a）沉积试样1显微组织

（b）沉积试样2显微组织

（c）沉积试样3显微组织

（d）试样中初始缺陷的显微组织

图3.（a）直接时效处理和（b）标准热处理后试样显微组织

图4.不同应变率下流动应力随温度的变化规律

图5.激光沉积Inconel 718在（a）X方向和（b）Z方向压缩后的剖面图和断裂行为

图6.激光沉积Inconel 718在Z方向上动态压缩后的断裂行为

图7.应变率为5300/s，温度为298K时激光沉积Inconel 718合金在Z方向压缩后的断口形貌

（a）和（b）沉积态Inconel 718合金的断口形貌

（c）和（d）直接时效态Inconel 718合金的断口形貌

（e）和（f）标准热处理态Inconal 718合金的断口形貌

【小结】

本文通过激光金属沉积（LMD）技术采用不同的工艺参数和热处理制度，制备应用于航空发动机的镍基高温合金Inconel 718。通过对各组激光沉积Inconel 718试样进行不同应变率（0.001 - 5300 / s）和温度（273-1193K）下的压缩实验，以评估工艺参数和热处理方法对其微观结构和动态力学性能的影响。同时利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察试样的初始微观结构和破坏特征。研究结果发现在激光增材制造过程中，较高的能量输入密度导致一次枝晶间距变宽。随着一次枝晶间距的增加，合金的塑性流动应力近似线性下降。激光沉积Inconel 718合金的塑性流动应力随着温度的升高出现了反常应力峰现象，这是第三型应变时效现象的典型特征。

最后，通过观察压缩破坏特性，发现裂纹的传播路径依赖于压缩加载方向。压缩断口形貌可以反映热处理对试样塑性的影响。此外，在激光沉积过程中产生的初始缺陷（气孔和缩松孔隙等）可能导致动态裂纹的萌生，偏转和分支。

文献链接：Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition（Mater. Sci. Eng. A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.02.014）

【团队介绍】
郭伟国教授（西北工业大学航空学院教授、博士生导师）团队长期从事各类新型材料的本构关系和动态破坏与失效、及相关动态试验技术的研究。课题组近三年在包括IJP等在内的重要学术期刊累计发表SCI论文二十余篇。作为主持的国家自然科学基金面上项目之一，课题组对利用激光沉积技术制备的发动机典型合金（钛合金、镍基高温合金等）在高温高应变率的极端环境下的动态力学行为进行了系统研究。相关部分成果如下：
[1]Li P H, Guo W G*, Huang W D, et al. Thermomechanical response of 3D laser-deposited Ti–6Al–4V alloy over a wide range of strain rates and temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2015, 647: 34-42.
[2] Zhou, P., Guo, W. G., Su, Y., Wang, J., Lin, X., & Huang, W. (2017). Microstructure and Mechanical Properties of Laser Solid Formed Ti-6Al-4V Alloy Under Dynamic Shear Loading.Journal of Materials Engineering and Performance, 26(7),3121-3132.
[3]Yuan, K., Guo, W., Li, P., Wang, J., Su, Y., Lin, X., & Li, Y. (2018). Influence of Process Parameters and Heat Treatments on the Microstructures and Dynamic Mechanical Behaviors of Inconel 718 Superalloy Manufactured by Laser Metal Deposition. Materials Science and Engineering: A.

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